[논문 리뷰] Green synthesis of eco-friendly silver nanoparticles using Coffee arabica leaf extract and development of a cost-effective biosensor for cysteine

E. S. Harsha Haridas, Susmita Bhattacharya외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 08.

Advanced Nanomaterials in Catalysis인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 카페올라 아라비카 잎 추출물(CAE)을 사용하여 안정적인 은 나노입자를 녹색이고 비용 효율적인 방법으로 합성하는 방법을 제시한다. 이 방법을 통해 10분 이내로 은 이온의 환원 반응을 빠르고 시각적으로 감지할 수 있다. 얻어진 CAE-AgNPs는 L-시스티엔에 대해 매우 민감하고 선택적이며 안정적인 생체센서로 기능하며, 감도 한계(LOD)가 0.1 nM에 이른다.

ABSTRACT

The thirst for fabricating environment friendly silver nanoparticles (AgNPs) as biosensors via the green route is highly demanded among researchers due to their free of cost and less impact on creating pollution compared to other methods involving risk interference from toxic chemicals as reducing, stabilizing and capping agents. Here, for the first time, Coffee arabica leaf extracts (CAE) were used for the production of highly stable AgNPs in an easy and eco-friendly manner. Within ten minutes, we can visually confirm the reduction of Ag+ to Ag0 from a change of yellow color to dark brown by the addition of silver nitrate (AgNO3) solution with CAE. The structural, optical, stability, morphological and elemental characteristics of CAE-reduced AgNPs (CAE-AgNPs) were investigated using ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, Fourier transforms infrared spectroscopy in ATR mode (FTIR-ATR), Raman spectroscopy, Zeta potential analyzer and transmission electron microscopy (TEM). The prepared CAE-AgNPs show good sensing performance for the amino acid L-cysteine (Cys) with high sensitivity, a limit of detection (LOD) of 0.1 nM, selectivity and good stability. Hence, the proposed novel method is highly promoted among other nanoengineered green AgNPs in the medical field as a valuable biosensor.

연구 동기 및 목표

• 유해 화학물질을 사용하지 않고 환경에 친화적인 은 나노입자(AgNPs) 합성 방법을 개발하기 위해.
• 카페올라 아라비카 잎 추출물(CAE)을 AgNPs의 천연 환원제, 캡핑제 및 안정제로 활용하기 위해.
• L-시스티엔을 감지하기 위한 저비용이며 매우 민감한 생체센서를 제작하기 위해.
• 수용액 환경에서 CAE-AgNPs의 안정성, 선택성 및 센싱 성능을 평가하기 위해.
• 나노생체센서 개발 분야에서 전통적인 화학적 합성 방법에 대한 녹색 대안을 마련하기 위해.

제안 방법

• 식물성 화합물이 풍부한 용액을 얻기 위해 신선한 잎을 끓이고 여과하여 카페올라 아라비카 잎 추출물(CAE)을 제조하였다.
• 실온에서 은 질산염(AgNO3)을 CAE와 혼합하여 Ag+가 Ag0로 환원되는 반응을 유도하였으며, 노란색에서 갈색으로의 색상 변화로 확인되었다.
• 표면 플라즈몬 공명(SPR) 피크가 약 420 nm에서 관찰되어 AgNPs 형성이 확인되었으며, 이는 자외선-가시광선(UV-Vis) 분광법을 통해 모니터링되었다.
• FTIR-ATR 및 라만 분광법을 사용하여 AgNPs의 환원 및 안정화에 기여하는 기능기 그룹을 규명하였다.
• 제타 전위 분석을 통해 콜로이드 안정성을 확인하였으며, 강한 전기적 반발력을 나타내는 값이 관찰되었다.
• 전자현미경(TEM)을 사용하여 입자 크기, 형태 및 분포를 측정하였으며, 좁은 분포를 보이는 구형 AgNPs가 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 카페올라 아라비카 잎 추출물은 녹색이고 화학물질을 사용하지 않는 합성 경로에서 Ag+ 이온을 효과적으로 Ag0으로 환원하여 안정적인 AgNPs를 형성할 수 있는가?
• RQ2 CAE로 합성된 AgNPs의 L-시스티엔에 대한 센싱 성능은 민감도와 감도 한계(Limit of Detection) 측면에서 어떠한가?
• RQ3 CAE-AgNPs의 물리화학적 성질(크기, 제타 전위, 형태)이 생체센서 기능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CAE-AgNPs는 L-시스티엔 감지에서 일반적인 간섭 물질에 대해 어느 정도의 선택성을 보이는가?
• RQ5 CAE-AgNPs는 시간이 지남에 따라 얼마나 안정한가? 그리고 생체센서 응용 분야에서 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• Ag+가 Ag0로 환원되는 과정이 10분 이내로 뚜렷한 색상 변화(노란색 → 갈색)를 통해 시각적으로 확인되었다.
• UV-Vis 분광법을 통해 특징적인 표면 플라즈몬 공명 피크가 약 420 nm에서 관찰되어 AgNPs 형성이 확인되었다.
• FTIR-ATR 및 라만 분광법을 통해 환원 및 안정화에 기여하는 폴리페놀 및 플라보노이드 화합물이 CAE에 존재하는 것으로 규명되었다.
• 제타 전위 측정 결과 높은 음성 표면 전하(약 -35 mV)를 나타내어 양호한 콜로이드 안정성을 확인하였다.
• TEM 분석을 통해 평균 크기가 약 20–30 nm이며, 좁은 크기 분포를 보이는 구형 AgNPs가 확인되었다.
• 생체센서는 L-시스티엔에 대해 감도 한계(LOD)가 0.1 nM로 매우 높은 민감도, 선택성 및 장기적 안정성을 보였다.